خلية دانييل

بنى دانييل خليته لأول مرة عام ١٨٣٦. ^{[ ٦ ]} يتألف تصميمه الأصلي من أسطوانة نحاسية قطرها ٣.٥ بوصة. وُضع قرص نحاسي مثقوب بعدة ثقوب عبر الأسطوانة، بحيث يكون مجوفًا من الأعلى. يتدلى أنبوب من مريء الثور من ثقب كبير في مركز القرص النحاسي المثقب. يتدلى قضيب من الزنك قطره ٠.٥ بوصة داخل أنبوب مريء الثور، معلقًا بدعامات خشبية. مُلئ الوعاء النحاسي بمحلول حمض الكبريتيك المشبع بكبريتات النحاس حتى مستوى أعلى من القرص المثقب. مُلئ أنبوب مريء الثور بمحلول حمض الكبريتيك. وُضعت بلورات كبريتات النحاس على القرص النحاسي المثقب للحفاظ على تشبع المحلول. يعمل مريء الثور كغشاء مسامي يسمح بمرور الأيونات. يذكر دانييل أنه يمكن استخدام أنبوب فخاري مسامي بدلًا من مريء الثور لسهولة الاستخدام، لكن هذا الترتيب سينتج طاقة أقل. اقترح دانييل أيضاً لتحسين الخلية استبدال النحاس بالبلاتين وكبريتات النحاس بكلوريد البلاتين ، لكنه أشار إلى أن "هذا الترتيب سيكون مثالياً، ولكنه مكلف للغاية بالنسبة للتطبيقات العادية". ^{[ 7 ]} وقد شاع استخدام شكل الخلية ذي الوعاء المسامي في التلغراف.

تتكون خلية الوعاء المسامية من مصعد زنك مركزي مغمور في وعاء فخاري مسامي يحتوي على محلول كبريتات الزنك. ويُغمر الوعاء المسامي بدوره في محلول كبريتات النحاس الموجود في علبة نحاسية، والتي تعمل كمهبط للخلية. يسمح استخدام حاجز مسامي بمرور الأيونات مع منع اختلاط المحلولين. وبدون هذا الحاجز، عند عدم سحب تيار كهربائي، ستتجه أيونات النحاس نحو مصعد الزنك وتخضع للاختزال دون توليد تيار، مما يُقصر عمر البطارية. ^{[ 8 ]} كان استبدال حمض الكبريتيك بكبريتات الزنك ابتكارًا لجيه إف فولر عام 1853، وهو ما يُطيل عمر الخلية. ^{[ 9 ]}

بمرور الوقت، يؤدي تراكم النحاس إلى انسداد مسام الحاجز الفخاري، مما يُقصر عمر البطارية. ومع ذلك، توفر خلية دانييل تيارًا أطول وأكثر موثوقية من خلية فولتايك، لأن الإلكتروليت يُرسب النحاس، وهو موصل ، على المهبط، بدلًا من الهيدروجين، وهو عازل . كما أنها أكثر أمانًا وأقل تآكلًا. بجهد تشغيل يبلغ حوالي 1.1 فولت، شاع استخدامها في شبكات التلغراف حتى حلت محلها خلية ليكلانشيه في أواخر ستينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 10 ]}

في ستينيات القرن التاسع عشر، اخترع الفرنسي كالود نوعًا معدلًا من خلية دانييل، استغنى فيه عن الحاجز المسامي. ^{[ 10 ]} فبدلًا من ذلك، توضع طبقة من كبريتات الزنك فوق طبقة من كبريتات النحاس، ويُفصل السائلان باختلاف كثافتهما، وغالبًا ما تُضاف طبقة من الزيت في الأعلى لمنع التبخر. هذا يقلل المقاومة الداخلية للنظام، وبالتالي تُنتج البطارية تيارًا أقوى.

يتكون هذا النوع، المسمى خلية الجاذبية، من وعاء زجاجي يحتوي على قطب نحاسي سالب في قاعه، وقطب زنك موجب معلق أسفل حافته في طبقة من كبريتات الزنك. تُوزع بلورات كبريتات النحاس حول القطب السالب، ثم يُملأ الوعاء بالماء المقطر. عند مرور التيار الكهربائي، تتشكل طبقة من محلول كبريتات الزنك في الأعلى حول القطب الموجب. تبقى هذه الطبقة العلوية منفصلة عن طبقة كبريتات النحاس السفلية بفضل كثافتها المنخفضة وقطبية الخلية. من عيوب خلية الجاذبية ضرورة استمرار مرور التيار الكهربائي لمنع اختلاط المحلولين بالانتشار، مما يجعلها غير مناسبة للاستخدام المتقطع. إضافةً إلى ذلك، فهي عرضة للتلف في حال مرور تيار كهربائي زائد ، مما يؤدي أيضًا إلى اختلاط الطبقات.

تُعرف هذه البطارية أحيانًا باسم "خلية قدم الغراب" نظرًا لشكل أقطابها المميز، وهي أقل تكلفةً للبطاريات متعددة الخلايا الكبيرة ، وسرعان ما أصبحت البطارية المفضلة لشبكات التلغراف الأمريكية والبريطانية. حتى بعد أن بدأت معظم خطوط التلغراف بالعمل بواسطة مولدات كهربائية، استمر استخدام بطارية الجاذبية في محطات الإمداد لتشغيل الدائرة المحلية حتى خمسينيات القرن الماضي على الأقل. ^{[ 11 ]} في صناعة التلغراف، كان عمال التلغراف أنفسهم غالبًا ما يجمعون هذه البطارية في الموقع، وعندما تنفد، يمكن تجديدها باستبدال المكونات المستهلكة. ^{[ 12 ]} طبقة كبريتات الزنك عديمة اللون على عكس طبقة كبريتات النحاس الزرقاء الداكنة، مما يسمح للفني بتحديد عمر البطارية بنظرة سريعة. من ناحية أخرى، يعني هذا التصميم أنه لا يمكن استخدام البطارية إلا في جهاز ثابت، وإلا ستختلط المحاليل أو تنسكب.

اخترع الطبيب غولدينغ بيرد، من مستشفى غاي، نسخةً معدلةً من خلية دانييل عام 1837 ، مستخدمًا حاجزًا من الجبس لفصل المحاليل. كانت تجارب بيرد على هذه الخلية ذات أهميةٍ لعلم الكهروكيميائية الجديد ، إلا أن بيرد نفسه لم يتابع هذا المجال، إذ انصب اهتمامه على العلاج الكهربائي . ومن النتائج المفاجئة لتجارب بيرد ترسب النحاس على الجبس المسامي وفي عروقٍ تمر عبره دون أي تلامس مع الأقطاب المعدنية. كانت هذه النتيجة مفاجئةً لدرجة أن الباحثين في الكيمياء الكهربائية، بمن فيهم مايكل فاراداي ، لم يصدقوها في البداية . اضطر بيرد نفسه إلى فحص جهازه بدقةٍ بحثًا عن أي تلامسٍ غير مقصود، ربما من خلال نمو "شعيرات" نحاسية، قبل أن يقتنع بالنتيجة. وقد لوحظ ترسب النحاس، ومعادن أخرى، سابقًا، ولكن كان يُفترض دائمًا أن المعدن على قطبٍ معدني. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

كان جون دانسر ، صانع الأدوات من ليفربول، أول من استغل تجاريًا الميزات الفريدة لخلية دانييل في طلاء النحاس عام 1838. وفي عملية تُعرف الآن بالطباعة الكهربائية، اكتشف أنه يستطيع صنع أشياء بأي شكل مطلوب باستخدام الحاجز المسامي كقالب. مع ذلك، توصل كثيرون آخرون إلى الاكتشاف نفسه، وفي نزاع على براءة اختراع مع توماس سبنسر، أُشير إلى أن بيرد كان له الأسبقية في هذا المبدأ. يُنسب الفضل في اختراع الطباعة الكهربائية عادةً إلى الروسي موريتز فون جاكوبي . ^{[ 13 ]}